快速扫频信号发生器的设计
摘要：信号发生器又称信号源或振荡器，是一种非常重要的仪器，在通信、测控、医疗、教学领域、实践应用领域及科技领域中都有着广泛的应用，由于实际应用需要不同频率的波形，因此设计一个频率可调的信号发生器具有一定的实际意义。
本文设计的信号发生装置是以STC89C52RC单片机为主控制器，由复位电路、晶振电路、信号产生电路、LED显示电路、滤波电路等构成硬件电路，采用Ｃ语言进行编程，通过DDS技术，根据采样定理并通过单片机控制AD9850芯片，产生频率在0~50MHZ的连续可调正弦波。
本文详细介绍了STC89C52RC 单片机的基本原理，分析了STC89C52RC 各个管脚的功能及它在设计电路中的作用,介绍了芯片AD9850的基本结构及工作原理。最后结合此设计的硬件原理和软件原理，给出了实验结果， 并在产生正弦波的基础上又实现了快速扫频功能。
关键字：信号发生器；DDS技术；AD9850；快速扫频 中图分类号：TK514
１ 引言
1.1 发展背景
电子时代的来临，电子元件的日新月异，功能不断强大，给人们带来了极大的方便，波形发生器作为一种常用的信号源，是现代测试领域内应用最广泛的仪器之一，在科研、教学、应用等领域不可或缺的电子仪器，也是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器之一。自上世纪20年代波形发生器诞生以来，随着晶体管的出现，DDS技术的产生，集成电路的迅速发展, 用集成电路可很方便地构成各种波形发生器，用集成电路实现的波形发生器与其它波形发生器相比, 其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标, 都有了很大的提高[1]。
随着单片机的功能不断强大，在社会生活中各个领域的应用更加广泛， 单片机集成度高，体积小，可靠性高，抗干扰能力优于一般的通用CPU，控制功能强，低电压，低功耗，易扩展，性价比高，便于生产携带。单片机应用广泛，小到涉及千家万户的家用电器，如全自动洗衣机、热水器、高级音响设备、电子游戏等，大到国家航空航天，如卫星、巡航导弹、火炮、通信、遥感、信息情报收集等国家安全机密。另外，单片机在工业实时控制中系统也有广泛用途，如过程控制中的各种测控参数：压力、流量、液位、温度、湿度、酸碱度、化学成分等。从新型单片机的性能看出,单片机正朝多品种、多规格、超小型、低功耗、廉价的方向发展。单片机在社会生活的意义逐渐显现，并扮演越来越重要的作用。本设计采用单片机作为主要核心，设计简易波形发生器。背景中关于DDS的部分还是太少
1.2 研究思路
波形发生器的研究理论基础知识主要有模拟电子技术、数字电子技术、单片机的中断系统的设计，另外还涉及显示模块，按键扫描模块的基本知识。单片机体积小、重量轻、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。它功能强大，提供了相当多的相关功能模块，所以使用非常方便，用51单片机来设计波形发生器是完全可行的。基于MCS-51 的波形发生器设计，首先要有明确的设计目的和设计方案，要设计出硬件总体框架图。总体系统框架如图1.2.1 所示。
LED显示 控制信号AD9850滤波电路单片机4x4矩阵键盘125MHz晶振输出图1.2.1 系统框图
图中，系统以单片机AT89C52RC 为核心，主要有按键模块、显示模块、DDS技术模块、滤波电路模块等，在设计过程中，波形的产生主要通过C环境下的程序控制单片机及芯片 AD9850工作。这要依靠单片机的中断系统，波形输入频率改变通过外部中断系统实现，在设计过程中，要进行硬件和软件的调试，及时发现问题解决问题，直到能够输出所要求的波形和实现扫频功能为止。
1.3 研究意义
快速扫频信号发生器目前广泛用于放大器、各种滤波器、及其有源或无源网络的频率特性, 利用扫频信号可对被测网络进行快速、定性或定量的动态测量, 给出被测网络的传输特性、阻抗等参数的实时测量结果。而扫频信号驱动是整个测量系统设计中的关键环节之一, 设计完成一个能够产生等幅、波形失真小、频率随时间线性变化的扫频信号源是本文研究的主要目标。
通过对此波形发生器的设计，可以对51单片机有了更加深刻的认识，对其各个引脚功能掌握的更为透彻。同时对DDS信号处理技术以及芯片AD9850有了更加深刻的认识与了解，对DDS的发展过程有了一定的把握，并对最新的DDS技术有了一定的了解，再次认识到单片机的应用具有使用范围广的特点和对各个行业的技术改造，产品智能化的更新换代起着重要推动作用。在设计波形发生器的过程中，需要完成硬件设计和软件设计，所以需要设计电路硬件原理图。在绘制原理图过程中，对PROTEL99SE软件进行了熟悉和应用，对软件中的各个文件编辑器进行了掌握，并且知道了在原理图设计和绘制时，要对元件有合理的布局和放置。在编写C程序过程中，对KEIL软件进行全面复习，熟悉软件的编程环境，调试过程中的单步执行等功能进行熟练练习。通过这次研究，在自己动手设计硬件原理图和软件编程的过程中，可以很好的了解到波形发生器的总体设计
过程和功能的实现过程，自己着手硬件和软件的制作，一定程度上提高了自己的动手能力和解决问题的能力。
2 波形发生器硬件设计
硬件部分主要由单片机控制模块，DDS直接数字式频率合成器模块，键盘输入模块，输入显示模块和功率放大模块等组成。
2.1 STC89C52单片机简介
STC89C52系列单片机是宏晶科技公司推出的新一代增强型8051单片机，具有超强抗干扰、高速、低功耗一种新型51内核的单片机，与普通的51单片机完全兼容，12MHZ时钟周期与6MHZ时钟周期可以任意切换，无需专用编程器，无需专用仿真器，通过串口可直接下载用户程序，具有EEPROM功能和看门狗功能，它是控制波形输出的核心，主要包括运算器和控制器两大部分，片内含有 8k 字节Flash 闪速存储器，512字节内部RAM，32个I/O接口线，3个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，18个字节的特殊功能寄存器，片内振荡器及时钟电路，工作频率范围0~40MHZ，相当于普通8051的0~80MHZ，实际工作频率可达48MHZ，同时，片内采用单总线结构，有较强的位处理能力，兼容MCS-51指令系统，为工业和生活提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 2.1.1 STC89C51引脚及各引脚功能 其引脚图如图 2.1.1所示
图2.1.1 STC89C52单片机引脚图